SCR hay PWM? Chọn bộ điều khiển cho động cơ DC chổi than

Động cơ DC chổi than vẫn thường được sử dụng trong máy cuộn, máy đùn, băng tải, bệ thử, tời nâng và các máy sản xuất đời cũ. Mô-men xoắn của chúng tỷ lệ với dòng điện phần ứng, trong khi tốc độ chịu ảnh hưởng của điện áp phần ứng đặt vào và từ thông kích từ. Mối quan hệ này giúp động cơ dễ hiểu, nhưng không có nghĩa mọi bộ điều khiển đều có thể thay thế cho nhau.

Hai phương pháp điện tử phổ biến là bộ biến đổi thyristor điều khiển bằng điện áp lưới (SCR) và chuyển mạch bằng transistor với điều chế độ rộng xung (PWM). Cả hai đều có thể điều chỉnh điện áp phần ứng trung bình. Tuy nhiên, chúng khác nhau về độ gợn dòng điện, khả năng vận hành ở tốc độ thấp, ảnh hưởng đến nguồn vào, tùy chọn tái sinh, nhiễu điện từ và rủi ro khi cải tạo.

Việc lựa chọn bộ điều khiển phải tính đến định mức phần ứng, thiết kế mạch kích từ, phản hồi, chu kỳ làm việc, khả năng đảo chiều và toàn bộ đường truyền năng lượng khi dừng.

Bắt đầu từ mạch động cơ

Động cơ nam châm vĩnh cửu không có nguồn kích từ riêng. Động cơ kích từ song song hoặc kích từ độc lập sử dụng cuộn dây kích từ, trong đó dòng điện tạo ra từ thông. Động cơ nối tiếp lại hoạt động khác và hiếm khi có thể thay thế trực tiếp bằng một bộ điều khiển DC thông dụng. Trước khi chọn thiết bị, hãy xác định loại động cơ, điện áp và dòng điện phần ứng, điện áp và dòng điện kích từ, tốc độ cơ bản, tốc độ tối đa cho phép, tình trạng cách điện và phương pháp làm mát.

Dưới tốc độ cơ bản, bộ điều khiển thường kiểm soát điện áp phần ứng trong khi duy trì từ trường định mức. Trên tốc độ cơ bản, một số hệ thống giảm dòng kích từ để cho phép tốc độ cao hơn với mô-men xoắn khả dụng giảm. Việc giảm từ trường cần có bảo vệ quá tốc và các giới hạn cơ khí đã được xác minh. Mất từ trường ở động cơ kích từ độc lập có thể gây tình trạng quá tốc nguy hiểm, vì vậy phát hiện mất từ trường là một yêu cầu chức năng chứ không phải cảnh báo tùy chọn.

Cách bộ điều khiển SCR kiểm soát điện áp phần ứng

SCR bắt đầu dẫn điện sau khi nhận xung kích cổng và thường vẫn dẫn cho đến khi dòng điện giảm xuống dưới giá trị duy trì. Trong bộ biến đổi cấp nguồn xoay chiều, bộ điều khiển trì hoãn góc kích trong mỗi chu kỳ lưới. Việc thay đổi góc này sẽ thay đổi điện áp DC trung bình cấp cho phần ứng.

Cầu chỉnh lưu một góc phần tư hỗ trợ chế độ động cơ theo một chiều. Đảo chiều và vận hành tái sinh cần một cấu trúc phù hợp, chẳng hạn như bộ biến đổi kép, cùng với hệ thống điều khiển ngăn dòng điện tuần hoàn ngoài ý muốn. Cấu hình cụ thể rất quan trọng vì đảo chiều bằng công tắc tơ không tương đương với điều khiển điện tử bốn góc phần tư.

Bộ biến đổi SCR đã được chứng minh về độ tin cậy và khả năng bảo trì. Những hạn chế của nó bắt nguồn từ việc chuyển mạch ở tần số lưới. Dòng điện phần ứng có độ gợn tần số thấp, đặc biệt khi tải nhẹ hoặc tốc độ thấp. Độ gợn này có thể gây dao động mô-men xoắn và tiếng ồn nghe thấy được. Việc kích trễ cũng làm giảm hệ số công suất dịch chuyển và gây méo dòng điện đầu vào. Nguồn ba pha thường tạo ra đầu ra êm hơn cầu một pha, nhưng vẫn cần đánh giá sóng hài và điều kiện lưới.

PWM thay đổi bài toán điều khiển như thế nào

Bộ điều khiển PWM chuyển mạch nhanh các transistor giữa thanh cái DC và phần ứng. Việc thay đổi chu kỳ nhiệm vụ sẽ thay đổi điện áp phần ứng trung bình. Điện cảm của động cơ làm trơn phần lớn dòng điện giữa các xung, cho phép kiểm soát dòng điện chặt chẽ hơn và mô-men xoắn ở tốc độ thấp êm hơn so với nhiều bộ biến đổi tần số lưới.

Bộ điều chỉnh dòng điện là vòng điều khiển bên trong vì dòng điện phần ứng đại diện cho mô-men xoắn. Bộ điều chỉnh tốc độ bên ngoài so sánh tốc độ đặt và tốc độ đo được, sau đó yêu cầu dòng điện cần thiết để hiệu chỉnh sai lệch. Giới hạn dòng điện bảo vệ động cơ và bộ biến đổi trong quá trình tăng tốc, khi kẹt máy hoặc khi tải thay đổi nhanh. Việc tinh chỉnh phải duy trì sự tách biệt giữa vòng dòng điện nhanh và vòng tốc độ chậm hơn.

Chu kỳ nhiệm vụ kiểm soát điện áp phần ứng trung bình; phản hồi dòng điện điều chỉnh mô-men xoắn và giới hạn ứng suất điện.

Phải theo dõi quá trình tái sinh và hãm dưới góc độ năng lượng

Tải đang quay tích trữ năng lượng động học. Tải kéo vượt cũng có thể dẫn động cơ về mặt cơ học. Trong quá trình giảm tốc, năng lượng đó phải được truyền đi đâu đó. Bộ điều khiển không tái sinh có thể sử dụng hãm động năng, nối phần ứng với một điện trở sau khi ngắt công suất truyền động. Bộ điều khiển tái sinh sẽ trả năng lượng về nguồn AC hoặc thanh cái DC chung khi cấu trúc của nó cho phép.

Cần kiểm tra các nhãn bốn góc phần tư theo đúng ứng dụng thực tế. Máy có thể cần chạy động cơ thuận, hãm thuận, chạy động cơ nghịch và hãm nghịch, nhưng không nhất thiết cần tái sinh về lưới trong mọi góc phần tư. Hãy tính công suất hãm đỉnh, năng lượng mỗi xung, tần suất lặp và nhiệt trung bình. Xác minh điện trở, chế độ làm việc của công tắc tơ, định mức bộ băm và bảo vệ quá nhiệt.

Phản hồi quyết định hiệu suất ở tốc độ thấp

Phản hồi điện áp phần ứng có thể mang lại khả năng điều chỉnh tốc độ tiết kiệm, nhưng phải ước tính điện áp sụt trên điện trở phần ứng. Ước tính này kém chính xác hơn ở mô-men xoắn cao và tốc độ thấp. Máy phát tốc hoặc encoder đo tốc độ trực tiếp hơn và cải thiện khả năng điều chỉnh khi tải thay đổi. Phải kiểm tra cực tính phản hồi ở mức lệnh thấp trước khi kích hoạt vòng điều khiển; cực tính sai sẽ khiến bộ điều chỉnh điều khiển theo hướng ngược lại.

Đối với các hệ thống căng, tốc độ có thể không phải là biến được điều khiển duy nhất. Việc tính toán đường kính, giới hạn mô-men xoắn, vị trí con lăn dancer hoặc phản hồi từ cảm biến lực có thể chi phối thiết kế. Thay thế bộ điều khiển cũ mà không hiểu các vòng điều khiển bên ngoài đó có thể làm máy mất ổn định ngay cả khi động cơ vẫn quay đúng.

Rủi ro khi cải tạo không chỉ nằm ở nhãn máy

Việc cải tạo từ SCR sang PWM làm thay đổi môi trường điện. Chuyển mạch tần số cao làm tăng nhiễu dẫn truyền và nhiễu bức xạ, đồng thời có thể tạo dòng điện qua điện dung của cáp. Hãy xem xét tuyến đi của cáp phần ứng và cáp phản hồi, cách đấu đầu cuối lớp chống nhiễu, liên kết vỏ tủ, phân tách nguồn điều khiển và nối đất. Không đi dây encoder hoặc máy phát tốc cạnh các dây dẫn động cơ được chuyển mạch.

Hãy kiểm tra chổi than, bề mặt cổ góp, ổ bi, cách điện cuộn kích từ và hệ thống thông gió trước khi chạy thử. Bộ điều chỉnh nhanh hơn có thể làm lộ độ rơ cơ khí, bánh răng bị mòn hoặc cổ góp yếu mà hệ thống cũ chậm hơn vẫn chịu được. Ghi nhận độ gợn dòng điện, sai số tốc độ, tia lửa ở chổi than, nhiệt độ động cơ và độ rung khi máy chịu tải điển hình.

Có thể xem các tùy chọn bộ điều khiển tại Bộ điều khiển truyền động & Điều khiển chuyển động, trong khi trình tự máy và các điều kiện cho phép vẫn thuộc Hệ thống PLC & PAC.

Khung lựa chọn thực tế

Hãy so sánh dòng điện phần ứng liên tục và đỉnh, yêu cầu kích từ, dải tốc độ, độ êm của mô-men xoắn, loại phản hồi, tần suất đảo chiều, năng lượng hãm, khả năng tái sinh về lưới, điều kiện tủ, sóng hài đầu vào, khả năng tương thích điện từ, chức năng chẩn đoán và kỹ năng bảo trì hiện có. Đồng thời phải duy trì chức năng dừng an toàn và liên động hiện hữu của máy.

PWM thường là lựa chọn mạnh hơn cho thiết kế điện áp thấp mới cần điều khiển êm ở tốc độ thấp và chức năng chẩn đoán hiện đại. Tuy nhiên, một hệ thống SCR đang hoạt động vẫn có thể là quyết định bảo trì tốt hơn khi hiệu suất của nó đáp ứng yêu cầu và vẫn còn hỗ trợ phụ tùng. Cải tạo đúng là cải tạo giúp khắc phục một hạn chế đã được đo lường mà không tạo ra rủi ro mới trong hệ thống động cơ, phản hồi, nối đất hoặc hãm.